0

Forno Elé trico industrial Fornos de Indução e de Arco elétrico

Alunos: Alex Cardoso; Lucas Cassimiro.

Professor: Fabricio.

1

Índice

Introdução-----------------------------------------------------pág. 2 Fornos elétricos de indução-------------------------------pág. 2 Características físicas e técnicas do forno--------------pág. 3 Principio de funcionamento-------------------------------pág. 4 Revestimento refratário------------------------------------pág. 4 Vantagens e desvantagens-------------------------------pág. 13 Forno elétrico a arco--------------------------------------pág. 14 Princípios de funcionamento----------------------------pág. 15 Exercícios-----------------------------------------------------pág. 17 Conclusão-----------------------------------------------------pág. 19 Bibliografia---------------------------------------------------pág. 20

2

Introdução

Você conhece os fornos elétricos industriais, eles podem ser de 2 tipos: •Por indução •Arco

A indústria atualmente utiliza muito o aquecimento através de indução. Suas principais aplicações, no

campo metalúrgico são a fusão de metais e o tratamento térmico, a fim de se obter um material com

características mecânicas especiais que não se pode obter em estado bruto de fundição, dentre as principais

vantagens podemos citar a limpeza, a menor contaminação do material a ser fundido/tratado, o custo do

consumo de energia (este obviamente, depende da politica energética de cada país), etc.·.

Fornos elétricos de Indução

Princípio de funcionamento do forno de indução e seu sistema de controle.

O funcionamento dos fornos de indução baseia-se na indução eletromagnética.

Faraday estudou este fenômeno e concluiu que num condutor elétrico submetido a um fluxo magnético

variável, surge uma f.e.m. quanto maior for à variação ΔΦ do fluxo. (Para que a variação do fluxo no

tempo seja grande, é preciso que o fluxo Φ seja elevado e / ou que o tempo de variação Δt seja pequeno.

Esta última condição corresponde a uma frequência elevada). Sendo muito usado para fusão de materiais

condutores, formam-se nestes materiais correntes de Foucault (correntes induzidas em massas metálicas)

3

que produzem grande elevação de temperatura. Se os materiais forem magnéticos, haverá também o

fenômeno da histerese, que contribui para o aumento de temperatura.

O forno consiste basicamente num transformador com o secundário em curto-circuito e constituído

apenas por uma espira. Um dos tipos de fornos é constituído por um transformador com núcleo de ferro e

pode ser usado para a frequência da rede. Outros tipos não utilizam núcleo de ferro e podem ser usados

para frequências mais altas.

Características físicas e técnicas do forno

Em principio o forno a indução é um transformador no qual o primário é constituído por uma bobina que é

percorrida por uma corrente alternada e que induz um campo eletromagnético alternado na carga do forno a

qual constitui o secundário do transformador. Mantendo-se a resistividade da carga entre determinados

limites, induz-se no metal potencia elevada que aquece rapidamente a carga ate a sua fusão.

Fornos a indução podem ser classificados em:

⎫Fornos a indução com núcleo

⎫Fornos a indução sem núcleo

Os fornos a indução com núcleo são hoje em dia referencia para a fusão de metais não ferrosos se bem que

encontrem também aplicação na função de ferros fundidos. Funcionam em frequência de linha e a bobina

do forno é envolvida sobre um núcleo de aço laminado fechado do tipo utilizado em transformadores. O

conjunto por sua vez é envolvido por uma camada refrataria e disposto de modo a se formar ao seu redor

um canal de metal liquido após a fusão do banho do forno, como segue a figura:

Fornos de indução sem núcleo funcionam também segundo o principio de um transformador porem

desprovido do seu núcleo magnético. O principio do transformador é constituído de uma bobina em geral

construída em tubo de cobre, de poucas espiras e que é percorrida pela corrente primaria sendo refrigerada

por água que circula através da mesma. O rendimento do forno de indução sem núcleo é inferior ao do

forno com núcleo e varia entre 75% e 85% segundo a frequência utilizada e o metal a fundir.

O forno a indução de cadinho, é um forno elétrico, composto por um painel de comando, conectado a dois

cadinhos ou três em condições especiais.

•Forno 1: média frequência com dois cadinhos;

•Forno 2: média frequência com três cadinhos.

O painel controla e transmite a energia elétrica aos cadinhos (um de cada vez), fundindo assim a carga

metálica no seu interior. É composto por três sistemas distintos:

•Circuito elétrico;

•Circuito de refrigeração (do cadinho e do painel);

•Circuito hidráulico.

4

O cadinho é composto pelas seguintes partes:

1. Carcaça;

2. Bobinas;

3. Refratário isolante das bobinas;

4. Refratário do fundo;

5. Papelão de amianto;

6. Refratário de trabalho;

7. Refratário da borda;

8. Tampa;

Os fornos a indução são hoje equipamentos muito importantes ao processo de fundição, sobretudo pela

qualidade das peças produzidas por este processo. O fator econômico é variável, pois, depende da situação

econômica e dos recursos de cada região.

Princípio de Funcionamento

O processo de fusão do forno a indução se baseia no princípio de uma corrente elétrica alternada de

alta intensidade, atravessando um condutor (bobina solenoide) e que gera um campo magnético alternado a

sua volta, o qual induz correntes na carga metálica, aquecendo-a diretamente. Tem-se uma bobina

solenoide em torno da carga metálica. Passa-se uma corrente alternada pela bobina. Criam-se fluxos

magnéticos variáveis em forma de anéis elípticos passando interna e externamente à carga. Estes fluxos

magnéticos induzem correntes elétricas que percorrem a carga metálica. A carga metálica oferece

resistência à passagem da corrente elétrica que por efeito joule se aquece. Detalhando-se:

Revestimento Refratário

Antes da confecção do revestimento do refratário do cadinho, é necessário a proteção da bobina com

um produto que impeça a passagem do calor, ou mesmo um possível vazamento de metal líquido. Isto

poderia causar um grave acidente já que a bobina é refrigerada com água que passa no seu interior.

Portanto, os isolantes térmicos desempenham papel importante no contexto de economia e segurança da

operação de fusão em forno a cadinho. São usados nas partes externas dos revestimentos, onde não há

contato com o metal líquido. Os principais objetivos da sua utilização são resumidos em:

•Manter perdas térmicas em limites aceitáveis;

•Proteger bobina do superaquecimento ou erosão provocada por infiltração do metal líquido;

•Absorver variações dimensionais do refratário.

Os principais materiais utilizados como isolantes térmicos são:

•Asbesto em forma de papelão. Mais usado, porém tóxico;

5

•Tecido de asbesto;

•Fibras cerâmicas;

•Papel de micanite.

O revestimento refratário é na verdade um componente armazenador que estará em contato direto com

o metal, esteja ele no estado líquido ou sólido. São monolíticos secos aplicáveis por vibração ou socagem

de forma obter alta compactação. Deve resistir as seguintes exigências de trabalho:

•Térmica: variações de temperatura e estabilidade volumétrica;

•Mecânica: abrasão da carga sólida e líquida (correntes de indução);

•Química: reação com a escória do banho líquido;

O fator químico que determina o tipo de refratário utilizado num dado equipamento, para uma fusão de

determinada liga. Este fator químico é determinado a partir da escória provável a ser formada de acordo

com o metal a se fundir. É necessário, portanto, confeccionar-se um refratário cujas reações químicas com

a escória sejam minimizadas, objetivando-se diminuir a sua corrosão durante a fusão.

No caso dos ferros fundidos em que o teor de silício geralmente é levado, e, portanto, pode oxidar-se

parcialmente durante a fusão, tem-se formação de escória com elevado teor de SiO2, portanto ácida. Daí a

utilização de um revestimento ácido para este caso. Além disso, o revestimento de sílica (SiO2) possui um

custo bastante reduzido. Alguns autores citam a desvantagem de sua grande variação volumétrica durante o

aquecimento, o que pode ser minimizado, em produção continua evitando o decréscimo da temperatura a

níveis inferiores a 600°C ( temperaturas de transformação de fase da sílica). Porém sua utilização é restrita

para temperaturas acima de 1650ºC. Devido a reações com metais que se oxidam facilmente a altas

temperaturas, onde são formados eutéticos de baixo ponto de fusão. Além disso, a refratariedade da sílica é

seriamente afetada por impurezas. Aços não ligados também podem ser fabricados com este revestimento,

convivendo-se com o problema da não possibilidade de utilização de altas temperaturas.

Para aços ligados, especiais, inoxidáveis e refratários, e também para a fusão de ferros fundidos, indica-

se a utilização de um revestimento neutro à base de alumina (Al2O3). Este material possui custo moderado

e é um dos óxidos refratários mais estáveis, seja em atmosfera ácida ou redutora, podendo ser utilizado a

temperaturas até 1800°C. Por isso é um revestimento utilizado para a fabricação de aços e ferros fundidos.

Para aços ligados ao cobalto e ao níquel é recomendada a utilização de um refratário básico.

Normalmente, para estes casos utiliza-se o MgO, que é um óxido básico, resistente a temperaturas

inferiores a 1700°C. Em contato com óxidos ácidos, forma eutéticos de baixo ponto de fusão.

Para a fusão de cobre e alumínio geralmente utiliza-se um revestimento ácido.

Alguns princípios elementares podem ser sumarizados com relação à ação química:

•Ácidos e bases reagem entre si;

•A velocidade da reação aumenta com o aumento da temperatura.

Conforme dito anteriormente, a reação química do refratário está muito ligada à formação de escória do

banho. Para estudar-se melhor este fenômeno, ele é dividido em escórias de baixo ponto de fusão e escórias

de alto ponto de fusão.

Com relação às escórias de baixo ponto de fusão, verifica-se que a baixas temperaturas (< 1400°C)

existe uma tendência para a oxidação do silício do metal e o produto formado é o SiO2.

6

Si + O2 SiO2

Observa-se nas fusões que trabalham com baixas temperaturas em fornos a indução, o problema de

excessiva formação de escória nas paredes do forno. Particularmente nas fundições que trabalham com

sucata oxidante e miúda. O FeO é reduzido pelo silício do banho e se formam grandes quantidades de

escória:

2FeO + Si 2Fe + SiO2

Esta escória se juntará à escória formada anteriormente e se depositará, juntamente com outros óxidos da

própria carga, nas paredes do cadinho. Caso esta escória não seja retirada durante a fusão ela deverá ser

retirada posteriormente com o forno vazio, utilizando choques mecânicos, o que na maioria das vezes afeta

também o revestimento.

A altas temperaturas a oxidação do silício diminui e ocorre outra reação, a do carbono com a sílica do

revestimento, reduzindo-a e provocando o desgaste do refratário:

SiO2+2c Si + 2CO

Esta reação é acelerada quanto mais elevado for o carbono e temperatura do banho. Observa-se inclusive

o borbulhar do CO (gás) nas paredes do cadinho desligando-se o forno quando o metal atinge altas

temperaturas. Analisando-se os teores de carbono e silício, verifica-se um acréscimo no teor de silício e um

decréscimo acentuado no teor de carbono.

Conclui-se então que a faixa de temperatura ideal para se trabalhar com o forno a indução na produção

de ferro fundido, seria em torno de 1500°C, pois, baixas temperaturas levariam a formação excessiva de

escória e altas temperaturas a um alto desgaste do revestimento. Conclui-se também, que no caso dos

óxidos de baixo ponto de fusão, como é o caso do SiO2, do MnO e do FeO, eles serão formados durante o

aquecimento do banho e eliminados posteriormente quando do aumento da temperatura, portanto, não

apresentam grande problema para o revestimento do forno.

Com relação às escorias do alto ponto de fusão, sua introdução se da através da contaminação da carga

por bentonita da areia de moldação, a qual possui Al2O3. Outras formas de contaminação seriam teores

alumínio na carga, que se oxida dando origem à mulita (3Al2O3 2SiO2). Nestes casos, é difícil e

eliminação do acumulo de escoria. Pode-se utilizar fundentes comercias para eliminarem-se estas

acumulações (fluorita, ou soda cáustica), porém tendo-se o cuidado de não usar excessivamente estes

materiais que desgastam também o revestimento. Escórias contendo CaO e MgO, são altamente

prejudiciais aos refratários de sílica, pois, diminui o ponto de fusão dos óxidos. Ligas vindas de cubilô ou

de processo de dessulfuração desgastam refratários ácidos, pois, contém altos teores de CaO.

O desempenho do material refratário depende diretamente das operações de execução e sinterização.

Para que o cadinho confeccionado com o material refratário granulado seco adquira, após sinterização,

resistência mecânica suficiente para entrar em serviço, é necessária a adição de ligantes cerâmicos. Alguns

fabricantes de refratário fornecem materiais prontos para a aplicação. Porém em alguns casos os materiais

são preparados pelas fundições as quais utilizam normalmente o acido bórico (H3BO3) ou o oxido de boro

anidro (B2O3), que são responsáveis pela a ação sinterizante do revestimento, proporcionando a ele uma

alta resistência mecânica. A quantidade percentual utilizada varia de 1 a 2%, dependendo, dentre outros

fatores, da temperatura de operação do cadinho.

7

Os fabricantes de refratário fornecem toda a orientação de como ele deve ser realizado. Porem é de

suma importância que se tenha dados gerais a respeito do assunto, tanto para o entendimento das

orientações, quanto para a melhoria destas. Contudo, é um produto que deve ser fornecido por

especialistas, devido ao seu impacto no custo do processo, e da importância que ele representa para a

segurança do equipamento. Além disso, é necessário certo comprometimento dos funcionários que tratarão

da atividade da realização do revestimento, pelos mesmos motivos citados anteriormente.

A socagem do material deve ser o mais homogênea possível, com auxilio de gabaritos e vibradores

evitando a laminação das camadas. O gabarito tem por finalidade manter o material compactado no lugar

até que este adquira resistência suficiente para manter o perfil interno do forno. É utilizado como forma

perdida, ou seja, é fundido junto com a primeira carga a ser fundida no forno (carga de sinterização).

Normalmente é realizado em chapa de aço, de preferência lamina a quente para ter seu perfil o mais

próximo possível de um cilindro. Porém algumas fundições têm optado pela montagem e vazamento de

um cadinho em ferro fundido, que possui custo menos que o gabarito de aço. A espessura do gabarito não

deve ser muito fina a fim de que o gabarito não se deforme durante a sinterização. Indica-se uma espessura

de 3 a 12 mm para as paredes e 10 a 20 mm para fundo. Os gabaritos possuem furos de 6 a 7 mm de

diâmetro, distantes 200 mm uns dos outros, a fim de ser facilitar a eliminação da umidade introduzida junto

com o ácido bórico, do refratário. Deve-se posicionar a forma no centro do forno de tal forma que se tenha

a mesma distancia entre a forma e a parte interna do forno. Deve-se impedir que a forma se movimentasse

durante a socagem.

A compactação do refratário pode ser através de processo manual ou através de processo de vibração.

No caso da socagem manual o fundo do forno é socado, utilizando-se garfos, em camadas de 60 a 80 mm

de espessura com duração de 10 a 15 segundos para camada. A ultima camada deve exceder de 10 a 20 mm

para posterior raspagem e nivelamento. O gabarito é então colocado e centrado com o auxilio de réguas de

madeira e cunhas. As paredes laterais são socadas da mesma forma que o fundo. Quando se atinge 2/3 do

volume do forno, retira-se as cunhas. Termina-se a socagem das paredes e revestem-se a bica e o colarinho

do cadinho com mesmo material umedecido com 3% de água, ou com um cimento de pega ao ar. No caso

de socagem por vibração são utilizados dois tipos:

•Vibrador de fôrma ou de fundo;

•Vibrador de imersão.

Após a socagem do material refratário, é realizada a sua sinterização, que tem como objetivos:

•A remoção da sua umidade lentamente;

•A ocorrência das mudanças cristalinas do material refratário sem que ocorra a diminuição da sua

durabilidade;

•Desenvolvimento da ligação cerâmica entre os grãos.

É muito importante à remoção da umidade do revestimento o mais lento possível, a fim de evitar-se a

ocorrência de trincas que serão posteriormente penetradas por metal ou escória liquida. Pode-se dizer o

mesmo das mudanças cristalinas do material refratário, que, caso ocorram muito rapidamente, darão

origem a trincas no revestimento. Com relação à ligação cerâmica entre os grãos, é ela que impede a erosão

do revestimento, ou seja, impede que os grãos sejam arrancados do todo.

8

Da mesma forma que o fabricante especifica a melhor maneira de socar o refratário, ele também

especifica a melhor maneira de realizar-se a sinterização revestimento. A seguir serão apresentadas as três

maneiras mais usuais para a realização desta atividade:

•Sinterização indutiva;

•Sinterização com combustível;

•Sinterização liquida.

Para a realização da sinterização indutiva; carrega-se o forno e realiza-se o aquecimento a uma

velocidade de 100°C/hora. Ao fundir a carga, deve-se completar o carregamento com carga sólida ou

liquida. Deve-se utilizar uma potência reduzida a fim de não aumentar-se demasiadamente a temperatura

do banho líquido. Posteriormente mantém-se o banho à temperatura máxima de trabalho por 2 horas.

No caso da sinterização com combustível, o aquecimento do forno é realizado com gás ou óleo até

aproximadamente 1200ºC, a uma velocidade de 100ºC/hora. As demais operações seguem como na

sinterização indutiva.

Na sinterização liquida, realiza-se o vazamento de metal liquido a temperatura de 1500 a 1550ºC,

procurando-se o centro do cadinho para evitar-se erosão das paredes laterais, liga-se o forno com potencia

de manutenção de temperatura por 1 hora, mantendo o metal a uma temperatura de 1450ºC. Aumenta-se a

potencia e eleva-se a temperatura ate 1550°C. Mantém-se por mais 1 hora. Este tipo de sinterização traz

algumas vantagens ao fundidor:

•Maior rapidez;

•Uniformidade de aquecimento;

•Não existência de vibração ou turbulência;

•Não a formação de escoria desde o inicio.

A manutenção e o reparo do revestimento devem obedecer a um criterioso controle. Em primeiro lugar

deve ser preventiva e não corretiva. O responsável pelo setor de fusão deve lembrar-se que paradas

prejudicam a produção, e que uma falha no revestimento do cadinho pode levar a explosões, com danos do

equipamento e ate dos funcionários. Deve-se realizar uma inspeção visual tantas vezes quanto possível,

tanto do cadinho quanto dos demais circuitos do forno. Na duvida medir o desgaste que o revestimento

sofreu. Este desgaste é proporcional ao aumento de produtividade do forno, pois, ao desgastar-se, o

cadinho cede o lugar ao material a ser fundido. É por isso que no fim da vida do refratário, a produtividade

do forno aumenta. Deve-se realizar uma programação de manutenção para fins de semana e com rígida

organização. Diversas são as causas que podem levar a perda prematura de um revestimento refratário a

seguir serão analisadas algumas delas:

•Contaminação:

O material pode vir contaminado do fabricante ou ser contaminado durante a instalação. O

peneiramento e a limpeza da área de preparação do material podem contribuir para a prevenção. Porém, o

mais importante é a conscientização dos funcionários.

•Umidade em massas secas:

9

É causado pela estocagem em local inadequado, o mesmo pela forma como o material foi transportado.

Alguns materiais aceitam secagem antes da utilização.

•Utilização de massas com o tempo vencido:

As ligações químicas do material se processam antes dele estar instalado, diminuindo sua resistência.

•Segregação:

O transporte e a movimentação de materiais refratários monolíticos podem provocar a separação dos

grãos mais grossos dos mais finos principalmente no caso de massas secas.

•Laminação:

Ocorre, principalmente durante a socagem de massas úmidas. É a separação das camadas socadas por

ineficiência ou exceção de socagem. O metal liquido penetra nestes intervalos.

•Baixa densidade do revestimento socado:

Má socagem do revestimento, que permite a existência de poros. O metal penetrará nesses poros

causando a erosão do refratário.

•Alta densidade do revestimento socado:

Socagem excessiva do revestimento, que, posteriormente, causará trincas no refratário devido à

mudança de forma dos grãos.

•Secagem inadequada do revestimento:

A retirada muito rápida da umidade do revestimento ocasionará o aparecimento de trincas, sobretudo

nas paredes laterais do cadinho.

•Uso intermitente do forno:

Provoca a ocorrência de trincas no refratário devido às seguintes expansões e retrações do material. O

revestimento tem maior durabilidade se seu uso for continuo. Um aquecimento lento antes das fusões

contribui para diminuir o problema.

•Temperatura de utilização acima da recomendada:

Deve-se atender para a utilização do forno dentro do especificado pelo fornecedor do refratário

(havendo é claro uma prévia discussão).

•Desgaste quedas mecânicas:

Introdução incorreta de cargas sólidas do cadinho e utilização incorretas de ferramentas de fusão,

alavanca e escumador.

•Fusão de metais não adequados ao revestimento:

Geralmente é indicado um revestimento especifico para cada tipo de liga. São poucos os materiais que

se prestam para a fusão de mais de uma liga.

•Adição de fluidificantes e aglomerantes de escória:

São produtos que reagem com o revestimento, portanto, seu uso deve ser criterioso. Os mais comuns são

fluorita e ferrogem.

•Sinterização incorreta:

São várias as causas de perda prematura do revestimento devido à sinterização incorreta:

- velocidade de aquecimento incorreta: ocorrência de trincas;

- patamares de aquecimento não observados: ligações cerâmicas incompletas;

10

- temperatura máxima requerida não atingida: diminuição da resistência mecânica.

Consertos no revestimento do cadinho (consertos de manutenção) devem ser realizados periodicamente

evitando-se a espera de um estrago maior, pois, por melhor que seja o reparo, ele não tem a mesma

durabilidade do revestimento. Não se deve reparar um revestimento sem antes remover o metal ou a escória

que esteja adquirida, pois, eles fundirão e o reparo será arrancado. Como vantagens os reparos de

manutenção propiciam:

•Menor tempo de sinterização;

•Menor custo de material;

•Economia do material isolante;

•Economia de tempo dos funcionários.

Apesar da opção de reparo de manutenção do revestimento, algumas precauções devem ser tomadas a

fim de evitar-se o desgaste do refratário:

•Otimização da temperatura no processo fusão;

•Manutenção do nível do banho no forno o mais alto possível;

•Manutenção da superfície do banho com menos escória possível;

•Limpeza do retorno de fundição;

•Não coagular escória com areia no forno;

•Utilizar sucata de aço com baixo teor de silício;

•Otimização e controle rígido das operações de fusão;

•Cuidar da eliminação da fonte geradora de escoria;

•Controlar o recebimento e o armazenamento do material, atendendo principalmente o prazo de validade,

a segregação do material e a presença de umidade;

•Controlar o tempo de serviço do revestimento

Para operar-se um forno a indução é necessário antes de tudo à preparação do funcionário e das

ferramentas a serem utilizadas com relação ao funcionário, é indispensável à utilização de EPIs, devido

principalmente à projeção de metal liquido e fagulhas e ainda a emissão de calor e luz do metal liquido. O

conjuntos de EPIs utilizado durante a fusão é composto por:

•Óculos de proteção com lentes escuras;

•Capacete;

•Luvas de raspas de couro;

•Botina de segurança;

•Avental de raspa de couro;

•Perneira de raspa de couro.

Quanto as ferramenta, são utilizadas durante a fusão:

•Marreta;

•Alavanca;

•Escumadeira;

•Rodo;

11

A operação do forno a indução segue uma sequencia de procedimentos:

1. Carregamento do forno;

2. Acionamento do circuito de refrigeração;

3. Acionamento do circuito elétrico;

4. Controle de carga durante a fusão;

5. Operação do circuito elétrico durante a fusão;

6. Controle do metal líquido;

7. Basculamento do cadinho;

8. Desligamento do circuito elétrico;

9. Refrigeração do forno.

A seguir um detalhamento de cada procedimento de operação:

Carregamento do forno

É uma operação que exige o máximo de cuidado dos operadores, pois é uma das variáveis que mais

influenciam a durabilidade do refratário do cadinho.

Em uma fundição, os metais mais comumente fundidos para obtenção de uma liga de fero fundido são:

•Ferro Gusa:

É um material relativamente limpo, com baixo teor em elementos residuais e que possui alta densidade.

Deve-se atentar para a presença de determinados resíduos presentes em sua superfície (carepas) que podem

conter elementos que dificultam a obtenção de ligas de qualidade, sobretudo de ferro fundido nodular.

•Sucata de aço:

É um material que exige um rígido controle de qualidade. Tanto em termos de elementos químicos,

pois, a sucata pode conter elementos residuais não desejáveis a liga a ser produzida, como também em

termos de condições físicas. Matérias oxidadas prejudicam a fusão do forno a indução, pois colabora para

um a queima acentuada de elementos. Assim, é necessário que a empresa tenha uma estrutura adequada

para a estocagem deste material. Matérias com grande superfície específica se oxidam com mais facilidade

durante a fusão, portanto, sucatas muito finas não são usadas na fusão. É também um excelente veiculo

para incorporação de elementos de liga, todavia é necessário atentar-se para uma procedência de

homogeneidade. A sucata de aço mais indicado é a estamparia. Sua densidade é variável dependendo é

claro do seu formato.

•Retorno de fundição:

São canais e massa lotes utilizados para obtenção das peças, acrescidos dos respingos ocorridos durante

o vazamento dos moldes e ainda das peças refolgadas. A utilização deste tipo de matéria prima faz-se

interessante principalmente pela sua composição química estar próxima do que se necessita. Porém deve-se

estar atento para a aderência de areia que provoca formação de escoria no forno. No caso de empresas com

produção em várias ligas é necessário um rígido controle e classificação deste retorno. Sua densidade

também é variável dependendo da forma dos canais e das peças. Um retorno composto apenas por massa

lotes tem uma excelente densidade.

•Cavacos ou limalhas:

12

São materiais originados da usinagem de peças. Geralmente vem contaminada pela presença de óleo,

água, graxa, oxidação e dependendo da usinagem podem vir diversas ligas misturadas. Possi baixa

densidade, chegando ao ponto de não compensar a sua utilização, devido ao alto grau de contaminação e

oxidação.

•Ferro Liga

E o caso do FeSi,do FeMn,do FeCr , etc., utilizados para a correção da composição química da liga.

Podem ser utilizados com variadas granulometrias , desde 5mm ate grandes “pedras “ dependendo de

vários fatores como local da correção, temperatura no momento do tratamento, rendimento desejável, etc.

Algumas fundições optam por um pré-aquecimento da carga a ser fundida a uma temperatura de faixa

de 100 a 750ºC. Este pré-aquecimento propicia uma maior segurança na operação de fusão, pois, elimina os

resíduos de umidade, óleo e graxa presente na matéria prima, melhora o rendimento da fusão diminuindo

assim o custo de produção das peças.

A carga a ser colocada no cadinho deve ser cuidadosamente pesada a fim de acertar-se nos cálculos de

correção da composição química. Antes de carregar-se o forno, devem-se avaliar as condições do refratário.

Trincas e fendas de grande dimensão, assim como desgaste excessivo, podem provocar a fuga de metal

liquido para a bobina, gerando curto circuito e até explosão pelo contato do metal com a água de

refrigeração da bobina. Caso necessário pode-se reformar o refratário da borda do forno, geralmente o que

mais se desgasta pela utilização incorreta de alavancas. Estando o cadinho em condições de trabalho inicia-

se o carregamento com um material de baixa densidade (sucata fina) a fim de se preservar o refratário do

fundo do forno. Posteriormente, carrega-se a carga metálica o mais compacto possível até a altura da

bobina, iniciando-se com a carga mais densa. Deve-se minimizar a projeção de carga metálica contar o

refratário do forno, a fim de evitar-se a sua deteorisação.

Métodos para controle das corridas e capacidade de fusão

Na realidade o forno elétrico a indução foi a melhor alternativa, pois ““... o aquecimento por indução é um

Método limpo, preciso, rápido, reprodutível e apropriado à repetição cíclica. Não há

Contato entre a carga e a fonte térmica e o calor pode ser restrito a áreas localizadas ou a

Zonas superficiais desta carga.” [PERRY; CHILTON; 1980]. Na figura 5.1, podemos

Observar detalhes do Forno de Indução Inductotherm com potência de 40 KW em operação,

Usando um cadinho de grafite com capacidade para fundir até 1,3 Kg de sucata de alumínio

por corrida.

Nos experimentos realizados, foram utilizadas potências da ordem de 2 a 5 Kw,

dependendo da temperatura desejada em cada série de dados, resultando em tempos totais

por corrida de aproximadamente 20 a 25 minutos entre a carga do forno e vazamento do

metal líquido em moldes.

Nos experimentos realizados, foram utilizadas potências da ordem de 2 a 5 Kw,

dependendo da temperatura desejada em cada série de dados, resultando em tempos totais

por corrida de aproximadamente 20 a 25 minutos entre a carga do forno e vazamento do

metal líquido em moldes.

Cuidados durante a campanha

13

Nas grandes siderúrgicas mundiais são revestidos com tijolos do sistema Al2O3-SiC-C.

Historicamente, na Usiminas, a vida útil desse revestimento obteve um progresso na quantidade de gusa

transportado para um mesmo revestimento, atingindo, em 1999, cerca de 475000 toneladas de gusa

transportados por campanha (vida útil do revestimento refratário do carro-torpedo medida em tonelada de

gusa transportado ou em número de corridas no período compreendido entre o revestimento novo e sua

substituição).

A partir do ano 2000, foi registrada, também na Usiminas, uma queda no desempenho dos tijolos. A

principal causa da falha dos refratários é a formação de trincas em até 70 mm da face quente dos tijolos,

acompanhadas de lascamento dessa porção afetada. Esse mecanismo de desgaste resultou, a partir de 2002,

na expressiva queda da vida do revestimento, cujo desempenho médio é de cerca de 300.000 toneladas.

A partir desse período, esforços de pesquisa e desenvolvimento, envolvendo também os fabricantes de

refratários, têm sido concentrados na investigação do fenômeno e na busca de novas formulações para

prolongar a vida dos refratários para carro-torpedo. Uma parte desses estudos envolveu a caracterização

físico-química de tijolos Al2O3-SiC-C fabricados com diferentes tipos de resinas fenólicas.

A resina fenólica utilizada como elemento ligante dos refratários de Al2O3-SiC-C fornece a esses

materiais a necessária resistência mecânica para o seu manuseio e transporte. Além disso, a resina fenólica

é uma importante fonte de carbono para esses materiais. Para que se estudasse a influência do tipo de resina

fenólica na durabilidade dos refratários para carro-torpedo, utilizaram-se dois tipos de resinas comerciais

na fabricação dos materiais avaliados.

Vantagens e Desvantagens As principais vantagens que a utilização do forno a indução de cadinho:

•Facilidade de instalação e operação;

•Facilidade de carregamento e acompanhamento da carga;

•Boas condições de trabalho;

•Constância de composição química;

•Economia de pessoal;

•Rendimento térmico elevado;

•Boa adaptação a todas as ligas de fundição;

•Flexibilidade de operação;

•Boa adaptação à operação de espera e manutenção de temperatura.

As principais desvantagens são:

•Investimento elevado;

•Custo elevado de energia consumida;

•Dificuldade de realização de operações com reação entre banho e escória.

14

FORNO ELETRICO A ARCO

Características físicas e técnicas do forno a arco

É constituído por uma panela de seção circular, cujo fundo tem formato de calota. Esta panela é

construída em chapa de aço cuja espessura varia de 19 mm a 26 mm e é revestida internamente por

materiais refratários. O diâmetro da carcaça depende, naturalmente, da capacidade do forno e da

profundidade do banho, a qual varia de 400 mm para os fornos de 5tn, até 1000 mm para os fornos de

120tn.

A tampa ou abóboda é composta por refratários suspensos por aro metálico, refrigerada com água

circundante sob pressão. É furada em 3 posições para passagem de 3 eletrodos, que ficam verticalmente

sustentados por 3 garras de cobre, acopladas em braços que promovem movimentos ascendentes e

descendentes, segundo a conveniência da operação.

A energia elétrica é levada às garras por meio de tubo de cobre, com circulação interna de água. Que

serve ao mesmo tempo para resfriamento das garras. A relação entre diâmetro do circulo formado pelos

eletrodos e o diâmetro da carcaça é extremamente importante, pois, se a diferença entre os dois diâmetros

for pequena, a duração dos tijolos refratários será diminuída, se for grande, aumenta o tempo de fusão e o

consumo de energia.

15

As aberturas para as portas e orifício de corrida, são reforçadas e, as vezes, dotadas de caixas de

resfriamento. O basculamento pode ser efetuado através de segmentos dentados engrenados em uma

cremalheira ou através de pistões hidráulicos a figura apresenta um esquema do forno:

Partes principais do forno a arco:

•Carcaça;

•Abóboda refrigerada;

•Eletrodos;

•Cabos flexíveis;

•Transformador;

•Plataforma móvel;

•Pista de suporte de basculamento;

•Base de concreto armado;

•Braço de sustentação da abóboda;

•Bica de corrida;

•Trilho do carro da panela.

Princípio de funcionamento

Consiste na passagem de um arco elétrico, gerador de grande quantidade de calor entre um eletrodo de

grafite ou carbono amorfo e a carga metálica. Assim há transmissão de calor diretamente para a carga, e a

coluna do arco ainda irradia calor sobre o banho, a carga circunvizinha e sobre o refratário das paredes do

forno. Uma grande vantagem deste forno, é que o arco elétrico se movimenta continuamente entre diversos

pontos das extremidades dos eletrodos, a grande velocidade, transmitindo certa agitação ao banho, o que

contribuiu para a redução de sobreaquecimentos localizados e para a homogeneização de temperatura e de

composição química. Como o arco aquece o banho diretamente por cima, a escória, que flutua, torna-se

bastante reativa e facilita a realização de operações metalúrgicas.

Revestimento refratário

O revestimento refratário do forno elétrico a arco direto, pode ser de natureza química acida, neutra ou

básica. São utilizados tijolos na sub-sola e nas paredes laterais. A sola e construída com por apisoáveis. O

formato geométrico dos tijolos usados no forno, varia do reto na sub-sola ao radial nas paredes laterais. Nas

paredes ainda e comum colocarem-se grandes blocos em substituição a vários com propósito de ganhar-se

tempo durante as paradas para manutenção refratarias. A abóboda e uma parte do forno, bastante solicitadas

em função das altas temperaturas irradiadas em sua direção e dos choques térmicos propiciados pela

abertura do forno para carregamento. Normalmente por tijolos tipo cunha sendo o miolo da mesma, feito

com massa socada. Nos furos onde entra os eletrodos, o revestimento com tijolos tipo faca. Os tijolos são

montados em um aro refrigerado para aumentar a duração do revestimento. O revestimento da bica do

forno e feito com tijolos e massas plásticas moldáveis para se fazer o canal da bica de vazamento. A figura

mostra um esquema da montagem do refratário de um forno a arco:

•Duração do refratário:

16

•Abóboda: 400 a 500 corridas podendo chegar a 800;

•Parede: 400 a 500 corridas podendo chegar a 800;

•Soleira: 1000 a 1500 corridas.

Os números acima citados, referem-se a operação de fornos para produção de ferro fundido. Na produção

de aço, com certeza estes números sofreram um, acentuada diminuição.

O controle da soleira é realizado através da instalação de termopares no momento da realização do

revestimento. A evolução das temperaturas, registradas fornecem informações sobre o estado do refratário.

Deve-se fazer o controle visual a cada corrida e se necessário realizar-se uma reparação com massa

refrataria. A parte do revestimento que fica em contato com a, escoria do metal é bastante atacada em

função das reações metalúrgicas. Tanto as paredes laterais como o fundo da carcaça metálica devem ser

dotados de um, certo numero de furos 10 mm para permitir a saída de vapor de água durante a secagem do

revestimento.

Cuidados durante operações

Esta disposição de cargas evita a quebra de eletrodos no caso de desmoronamento das cargas

superiores e protege a soleira de possíveis impactos quando do carregamento das cargas volumosas. A

fusão no forno a arco é composta por uma serie de operações que visam um melhor rendimento e a

proteção de determinados componentes do forno.

Primeiramente realiza-se a perfuração dos poços de eletrodos. A duração desta operação varia conforme

densidade carga (+/- 5’). Utiliza-se um arco longo com grande velocidade de penetração.

Depois realiza se a fusão com o arco protegido (circundado pela carga metálica). A duração desta operação

e limitada pela fusão total da carga. Utiliza-seu um arco médio, com baixa velocidade de penetração.

A terceira operação a ser realizada é chamada banho calmo. Onde se procura apenas elevar a

temperatura do metal líquido. Sua duração deve ser a menor possível. Utiliza-se um arco curto, sem

velocidade de penetração.

A última fase da fusão em forno a arco consiste nas operações metalúrgicas (acertos finais de

composição química e temperatura). Sua duração também deve ser a menor possível e o forno permanece

desligado

É importante após cada corrida, verificar o estado do refratário, principalmente da soleira. As

temperaturas alcançadas são muito altas, estas altas temperaturas, aliada à penetração do arco voltáico

promovem um desgaste acentuado no refratário.

Para facilitar a abertura do arco no inicio da fusão ou após uma quebra de eletrodos, coloca-se pedaços de

coque ou de eletrodos sobre a carga. Eles facilitam a passagem do arco para as cargas. Porem um longo

tempo de contato destes materiais com o banho metálico pode provocar uma carburação descontrolada da

liga. Deve-se ter cuidado e atenção na montagem e na colocação progressiva de eletrodos no forno, pois

representam parcela importante no custo. Devem se manter, as pinças de aperto em bom estado para evitar

perdas de energia. Não se devem apertar as partes filetadas dos eletrodos, a fim de não comprometer seu

rosqueamento. Devem-se limpar os filetes do niple e do eletrodo, antes da montagem. Uma chave com

limitador de aperto conduz a uma junção bem feita dos niples.

Vantagens e desvantagens

17

As vantagens na utilização do forno a arco:

•Possibilidade de produção de vários tipos de ligas, mesmo mudando-se as características da escória;

•Alta capacidade de fusão;

•Possibilidade de utilização de altas temperaturas;

•Possibilidade de fusão de grandes capacidades;

•Grande eficácia na produção de aço;

As desvantagens na utilização do forno a arco:

•Destruição dos núcleos de grafitização;

•Alto investimento inicial;

•Ocupação de grande espaço no galpão;

• Geração, de grande poluição atmosférica e sonora;

•Alto consumo de energia.

Métodos para controle das corridas e capacidade de fusão

forno elétrico a arco na realidade é um grande recipiente, basculante, com duas aberturas diametralmente

opostas; sendo uma para carga do material sólido e a outra por onde é vertida a massa líquida. O calor é

fornecido pelo arco voltaico que se forma entre os três eletrodos verticais, geralmente de grafite, e o banho;

o qual funde a matéria-prima e produz o “aço líquido”. A temperatura neste estado varia de 1590 0C a 1700

0C .Durante a queima do material é comum a injeção de oxigênio, que ajuda a esquentar a corrida, fundir

mais rapidamente o material sólido e queimar carbono; a partir deste procedimento fica nítida a separação

da escória do aço líquido. Há uma grande variação no tamanho dos fornos elétricos, cuja produção em

toneladas de aço por corrida se estende desde ½ até 100 toneladas Dados fornecidos pela Belgo-Mineira

informam que uma corrida de 100 toneladas de matéria-prima (correspondente a dois “cestões” de 50 t), o

que representa cerca de 90 toneladas de aço pronto, dura 40 minutos aproximadamente. Isto significa uma

produção de 2000 t/dia e 57 000 t/mês.

Exercícios

1-Quais os tipos de fornos elétricos?

Fornos elétricos de Indução e de Arco

2-Em que consiste o forno de Indução?

O forno consiste basicamente num transformador com o secundário em curto-circuito e constituído apenas

por uma espira. Um dos tipos de fornos é constituído por um transformador com núcleo de ferro e pode ser

usado para a frequência da rede. Outros tipos não utilizam núcleo de ferro e podem ser usados para

frequências mais altas.

3- Os fornos de indução se dividem em dois, cite e defina cada um deles.

Fornos a indução com núcleo

Fornos a indução sem núcleo

18

Os fornos a indução com núcleo são hoje em dia referencia para a fusão de metais não ferrosos se bem que

encontrem também aplicação na função de ferros fundidos. Funcionam em freqüência de linha e a bobina

do forno é envolvida sobre um núcleo de aço laminado fechado do tipo utilizado em transformadores.

Fornos de indução sem núcleo funcionam também segundo o principio de um transformador porem

desprovido do seu núcleo magnético. O principio do transformador é constituído de uma bobina em geral

construída em tubo de cobre, de poucas espiras e que é percorrida pela corrente primaria sendo refrigerada

por água que circula através da mesma. O rendimento do forno de indução sem núcleo é inferior ao do

forno com núcleo e varia entre 75% e 85% segundo a frequência utilizada e o metal a fundir.

4-Quais são as partes do cadinho?

O cadinho é composto pelas seguintes partes:

Carcaça, bobina, refratário isolante das bobinas, refratário do fundo, papelão de amianto, refratário de

trabalho, refratário de borda, tampa.

5-Quais os principais elementos utilizados na isolação térmica da bobina do refratário?

Asbesto em forma de papelão. Mais usado, porém tóxico; Tecido de asbesto; Fibras cerâmicas;

Papel de micanite.

6-Como é constituído o forno elétrico a arco?

É constituído por uma panela de seção circular, cujo fundo tem formato de calota.

7-Quais são as principais partes do forno elétrico a arco?

Carcaça, Abóboda refrigerado, Eletrodos ,Cabos flexíveis, Transformador, Plataforma móvel, Pista de

suporte de basculamento, Base de concreto armado, Braço de sustentação da abóboda, Bica de corrida,

Trilho do carro da panela.

8-Como é o revestimento do forno elétrico a arco?

O revestimento refratário do forno elétrico a arco direto, pode ser de natureza química acida, neutra ou

básica.

19

9-Quais são vantagens do forno elétrico a arco?

Possibilidade de produção de vários tipos de ligas, mesmo mudando-se as características da escória, Alta

capacidade de fusão, Possibilidade de utilização de altas temperaturas, Possibilidade de fusão de grandes

capacidades, Grande eficácia na produção de aço.

10-Como é feito o controle da soleira no forno elétrico a arco?

O controle da soleira é realizado através da instalação de termopares no momento da realização do

revestimento. A evolução das temperaturas, registradas fornecem informações sobre o estado do refratário.

Conclusão

Como podemos observar, neste trabalho falamos um pouco sobre os tipos de fornos elétricos a arco e por

indução, vimos suas vantagens e desvantagens, o funcionamento de cada um e como ambos são

importantes para a indústria.

20

Bibliografia

http://www.ebah.com.br/content/ABAAAe9pAAK/forno-eletrico-a-arco

http://www.ebah.com.br/content/ABAAABrV8AK/processos-fundicao-aula-06-fornos-fundicao

http://professormarciogomes.files.wordpress.com/2008/11/aula-5-producao-do-aco.pdf